(57)【要約】【課題】  トナーと記録部材との界面温度を予測し、トナーと記録部材との界面温度に基づいて定着後の画像を定着前に予測する。【解決手段】  熱伝導計算部６１は、記録部材１６の温度を入力し（ステップＳ１）、定着部材２０の温度を入力し（ステップＳ２）、加圧部材２２の温度を入力し（ステップＳ３）、定数を読み込み（ステップＳ４）、界面到達温度を算出する（ステップＳ５）。予測演算部６３は、定着圧力を入力し（ステップＳ６）、界面到達温度と定着圧力に応じたPSFを予測パターン記憶部から読み出し（ステップＳ７）、定着後の画像を予測して予測画像を形成する（ステップＳ８）。表示部６４は、予測画像を表示する（ステップＳ９）。操作部６５は、定着条件を変更する入力があるか判断し（ステップＳ１０）、変更があれば定着条件を変更させ（ステップＳ１１）、変更がなければ処理を終了する。【選択図】    図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
定着部材と加圧部材とのニップにおける記録部材と前記記録部材に定着させるトナーとの界面温度を予測し、前記界面温度に基づいて定着後における記録部材上の画像を予測することを特徴とする画像予測装置。
【請求項２】
前記定着部材の温度と、前記加圧部材の温度と、前記定着部材と前記加圧部材とのニップに到達する前の前記記録部材の温度とに基づいて、前記ニップにおける前記界面温度を予測する請求項１に記載の画像予測装置。
【請求項３】
予測した画像を表示する請求項１または請求項２に記載の画像予測装置。
【請求項４】
予測した画像を外部に出力する請求項１から請求項３のいずれかに記載の画像予測装置。
【請求項５】
定着条件を設定する操作部を備える請求項１から請求項４のいずれかに記載の画像予測装置。
【請求項６】
予測した画像に基づいて定着条件を変える請求項１から請求項５のいずれかに記載の画像予測装置。
【請求項７】
定着条件を変える基準を設定する操作部を備える請求項６に記載の画像予測装置。
【請求項８】
請求項１から請求項７のいずれかに記載の画像予測装置を備えることを特徴とする画像形成装置。
【請求項９】
定着部材と加圧部材とのニップにおける記録部材と前記記録部材に定着させるトナーとの界面温度を予測し、
前記界面温度に基づいて定着後における記録部材上の画像を予測することを特徴とする画像予測方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、トナーを記録部材に定着させた後の画像を予測する画像予測装置、該画像予測装置を搭載した画像形成装置、及びトナーを記録部材に定着させた後の画像を予測する画像予測方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
複写機、ファクシミリ、プリンタ等の電子写真装置に使用されている定着装置では、内部に加熱源を配置した定着ローラまたは定着ベルトと、加圧ローラまたは加圧ベルトとの圧接部分である定着ニップに、未定着のトナーを担持した記録部材を搬入し、トナーを加熱溶融することにより記録部材に定着させる、いわゆる内部加熱方式が一般的に用いられている。
【０００３】
内部加熱方式の定着装置を用いてトナーを記録部材に定着させる場合、定着時の温度によってトナーのつぶれ具合が変化する。定着時の温度が高いとトナーは印字面に対して水平方向に広がりやすいため、画像のにじみやボケが大きくなる。一方、定着時の温度が低いとトナーは広がりにくいため、画像はシャープになる。
【０００４】
画像のにじみやボケが大きい画像が記録部材に定着されると、印字作成者の要求を満たさずに、印字した記録部材、人件費、電気代、トナー代などのコストが無駄になる。
【０００５】
特許文献１には、定着装置において、加圧ローラの表面温度を検知する工程と、少なくとも検知される加圧ローラ検知温度、定着ニップ時間および定着ニップ面圧との関係において、特定の式を満足する目標加熱ローラ温度を算定する工程とを含む目標加熱ローラ温度取得操作を行い、加熱ローラにおける加熱源の動作状態の制御を、目標加熱ローラ取得操作により得られる目標加熱ローラ温度に基づいて行う定着装置の制御方法が提案されている。
【０００６】
特許文献２には、複写機、プリンタ、フアクシミリ等の画像定着装置のシ−ト温度を検出し、シ−トの検出温度に対応して定着条件を自動的に変えることにより、環境条件にかかわらずに、常に最適な定着が行うことを目的とする画像定着装置が提案されている。
【０００７】
【特許文献１】特開２００２−２５１０９９号公報
【特許文献２】特開平０５−３３３７４０号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
しかしながら、加圧ローラの表面温度やシート温度は、使用環境に応じて変化するため、定着時のにじみなどを防止してより高画質な画像を形成するための新たな手法が求められている。本発明では、トナーが記録部材に定着する際の状態、例えばにじみなどは、ニップにおけるトナーと記録部材との界面温度に強く影響されることに着目し、界面温度を予測する画像予測装置、画像形成装置及び画像予測方法を提供することを目的とする。
【０００９】
さらに、トナーと記録部材との界面温度に依存して定着後の画像がどのように形成されるかを予測する手法はいまだ提案されておらず、本発明では、定着後の画像を定着前に予測できれば、記録部材、人件費、電気代、トナー代などのコストを低減できることに新たに着目し、トナーと記録部材との界面温度の予測に基づいて定着後の画像を予測する画像予測装置、画像形成装置及び画像予測方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
この発明の画像予測装置は、定着部材と加圧部材とのニップにおける記録部材と記録部材に定着させるトナーとの界面温度を予測し、界面温度に基づいて定着後における記録部材上の画像を予測する。
【００１１】
この発明の画像予測装置は、定着部材の温度と、加圧部材の温度と、定着部材と加圧部材とのニップに到達する前の記録部材の温度とに基づいて、ニップにおける界面温度を予測するとよい。この発明の画像予測装置は、予測した画像を表示するとよい。この発明の画像予測装置は、予測した画像を外部に出力するとよい。この発明の画像予測装置は、定着条件を設定する操作部を備えるとよい。この発明の画像予測装置は、予測した画像に基づいて定着条件を変えるとよい。この発明の画像予測装置は、定着条件を変える基準を設定する操作部を備えるとよい。
【００１２】
この発明の画像形成装置は、上記いずれかの画像予測装置を備える。この発明の画像予測方法は、定着部材と加圧部材とのニップにおける記録部材と記録部材に定着させるトナーとの界面温度を予測し、界面温度に基づいて定着後における記録部材上の画像を予測する。
【発明の効果】
【００１３】
この発明の画像予測装置、画像形成装置、及び画像予測方法によれば、定着後の画像を予測することができ、満足しない画像を印字して、印字した用紙、人件費、電気代、トナー代などを無駄にすることを未然に防止できるとともに、環境負荷を減らすことができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１４】
第１の実施形態の画像形成装置１は、図１の構成図に示すように、給紙部１０と転写部１１と定着装置１２と排紙部１３と画像形成制御部１４とを備えている。給紙部１０は、トレーに収容された普通紙などの各種記録部材１５を収容し、適宜転写部１１に給紙する。転写部１１は、感光体を帯電及び露光して潜像を形成し、潜像を現像して顕像化し、トナーを記録部材１５に転写し、転写後の感光体をクリーニングする。定着装置１２は、記録部材１５に転写されたトナー１６を記録部材１５に定着させる。排紙部１３は、トナー１６を定着した記録部材１５を排紙して収容する。画像形成制御部１４は、画像形成装置１の画像形成に関する一連の動作を制御する。画像形成装置１の構成はこれに限られるものではなく、記録部材１５にトナー像を形成するものであれば他の方式を用いるものであってもよい。また、定着装置１２は、画像形成装置１に組み込まれたものだけでなく、単体であっても、他の装置に組み込まれたものであってもよい。
【００１５】
定着装置１２は、図２の構成図に示すように、定着部材２０とヒータ２１と加圧部材２２と搬送モータ２３と加圧機構２４と記録部材温度センサ２５と定着部材温度センサ２６と加圧部材温度センサ２７と定着制御部２８と画像予測装置２９とを有し、トナー１６を記録部材１５に定着させる。
【００１６】
定着部材２０は、定着部材芯金３０の表面に定着部材表層３１を設けたローラであり、具体的には定着部材芯金３０はアルミで形成され、定着部材表層３１はテフロン（登録商標）で形成されている。ヒータ２１は、定着部材芯金３０の中空の内部で発熱することにより、可変な温度で定着部材２０を加熱する。
【００１７】
加圧部材２２は、定着部材２０に対向して配置された、加圧部材芯金３２の表面に加圧部材表層３３を設けたローラであり、具体的には加圧部材芯金３２はアルミで形成され、加圧部材表層３３はシリコーンで形成されている。搬送モータ２３は、ステッピングモータ、ACモータ、DCモータなど速度の可変できるモータにより構成され、加圧部材２２の中心軸で回転させる。
【００１８】
加圧機構２４は、加圧部材２２を可変な定着圧力で定着部材２０に押さえつけることにより、記録部材１５を挟むニップを形成する。具体的に加圧機構２４は、ステッピングモータ４０とシリンダ４１とばね４２と加圧てこ４３とをもつ。ステッピングモータ４０の先端はネジ形状をもち、シリンダ４１に差し込まれている。シリンダ４１は、ステッピングモータ４０の回転により回転軸方向に往復移動する。ばね４２は、一端をシリンダ４１に、他端を加圧てこ４３に接続されている。加圧てこ４３は、一端を支点４４としてばね４２の弾性力により引かれ、支点４４とばね４２との間で加圧部材２２の軸に接触し、加圧部材２２に圧力を加えている。
【００１９】
なお、定着部材２０及び加圧部材２２には、ローラ形状のものの他、ベルト形状、板形状など様々な形態が用いられ、必ずしも定着部材２０と加圧部材２２とが同一形状であるわけではなく、定着部材２０が加圧部材２２としての機能をもつものであったり、加圧部材２２が定着部材２０としての機能をもつものであってもよい。
【００２０】
記録部材温度センサ２５は、ニップに搬送される前の記録部材１５の温度を検知する。定着部材温度センサ２６は、定着部材２０の表面温度を検知する。加圧部材温度センサ２７は、加圧部材２２の表面温度を検知する。具体的には、記録部材温度センサ２５、定着部材温度センサ２６、及び加圧部材温度センサ２７は、それぞれ、サーミスタなどの接触型の温度センサや、赤外放射温度計などの非接触型の温度センサなどを用いて構成される。
【００２１】
定着制御部２８は、図３のブロック図に示すように、加熱制御部５０と速度制御部５１と加圧制御部５２とをもち、画像形成制御部１４及び画像予測装置２９からの指令に基づいて定着温度、定着ニップ速度、及び定着圧力を制御する。加熱制御部５０は、ヒータ２１の発熱量を制御することにより定着温度を可変させる。速度制御部５１は、搬送モータ２３の速度を可変させ、設定した定着速度に保つように搬送モータ２３を駆動する。加圧制御部５２は、加圧機構２４を制御して定着圧力を制御する。具体的には、加圧制御部５２は、加圧機構２４のステッピングモータ４０を回転させて定着圧力を調整する。
【００２２】
画像予測装置２９は、定数記憶部６０と熱伝導計算部６１と予測パターン記憶部６２と予測演算部６３と表示部６４と操作部６５とをもつ。
【００２３】
定数記憶部６０は、例えば図４の表に示すような形で、定着部材芯金３０、定着部材表層３１、トナー１６、記録部材１５、加圧部材表層３３、及び加圧部材芯金３２の、厚さ(μm)、密度(kg/m3)、比熱(J/kg・K)、熱伝導率(W/m・K)の具体的な数値を、記憶している。なお、各値は操作部６５から入力したものであってもよい。
【００２４】
熱伝導計算部６１は、熱伝導計算を行い、ニップにおける記録部材１５とトナー１６との界面温度（以下、トナー紙界面温度と称する）を計算する。熱伝導計算は、図５のニップ付近を拡大した概念図に示すように、記録部材１５に近接した深さを範囲とし、ニップにおける記録部材１５に直交するx方向について行われる。熱伝導計算には、温度T、時間t、熱伝導率λ、密度ρ、比熱C、距離xを用いて表される一次元の熱伝導方程式（１）が使用される。
【００２５】
【数１】
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【００２６】
熱伝導計算の解法には、材料をメッシュ分割し、差分法や有限要素法等を適用することができる。なお、熱伝導計算の境界条件は、計算領域の両端の温度を固定したものであっても、計算領域の両端を熱伝達境界としたものであってもよく、定着ニップ時間は比較的短時間であるため、いずれの境界条件を使用しても計算できる。
【００２７】
熱伝導計算部６１は、図６の表に示すように、定着部材温度センサ２６で検出された定着部材２０の表面温度を、定着部材芯金３０及び定着部材表層３１の初期温度に設定し、記録部材温度センサ２５で検出された記録部材１５の表面温度を、記録部材１５及びトナー１６の初期温度に設定し、加圧部材温度センサ２７で検出された加圧部材２２の表面温度を加圧部材表層３３及び加圧部材芯金３２の初期温度に設定し、各材料の厚さ及び熱材料定数を定数記憶部６０から読み出して熱伝導計算を行う。
【００２８】
熱伝導計算により求められたトナー紙界面温度と時間との関係は、図７のグラフに示すように、時間とともに上昇する曲線で表される。定着ニップ時間を経過した時のトナー紙界面温度は、定着時に記録媒体１５とトナー１６との界面の温度が到達する界面到達温度を表す。界面到達温度は、熱伝導計算部６１内のメモリに保持され、さらに、予測演算部６３へ送られる。
【００２９】
予測パターン記憶部６２は、界面到達温度と定着圧力とPSF(Point Spread Function)との対応関係を、あらかじめテーブルや関数などの形態で記憶している。PSFは一種のボケ関数であり、Rafael C. Gonzalez著の「Digital Image Processing」に詳細が記述されている。例えば、定着前には図８(a)に示すように記録部材１５の狭い領域に付着していたトナー１６の微小な粒子は、定着により図８(b)に示すように体積を一定に保ったまま比較的広い領域に広がる。PSFは、各粒子が定着によりどの程度広がるか、すなわち定着後の画像がどの程度ぼけるかを表している。界面到達温度が低い程、トナー１６はつぶれにくく、画像がボケにくいため、PSFによるボケの程度を弱く設定し、界面到達温度が高いほど、トナー１６はつぶれて水平方向に広がりやすく、画像がボケやすいため、PSFによるボケの程度を強く設定する。また、定着圧力が低い程、トナー１６はつぶれにくく、画像がボケにくいため、PSFでのボケの程度を弱く設定し、定着圧力が高い程、トナー１６はつぶれて水平方向に広がりやすく、画像がボケやすいため、PSFによるボケの程度を強く設定する。
【００３０】
予測演算部６３は、熱伝導計算部６１から入力される界面到達温度と定着圧力とに応じ、画像形成制御部１４から入力される画像データの定着後の画像を予測する。具体的には、予測演算部６３は、組み込まれたCPUにより、界面到達温度と定着圧力とに応じたPSFを予測パターン記憶部６２から選択して、選択されたPSFに基づいて入力された画像データをぼかす処理を行い、予測画像を形成する。
【００３１】
なお、予測演算部６３は、PSFを用いるものに限られず、何らかの平均化処理をするようなボケフィルタを用いて定着後の画像を予測するものなど、何らかの形で定着後の画像を予測するものであってもよい。
【００３２】
表示部６４は、予測画像を表示する。なお、表示部６４は、画像予測装置２９に備えられたものであっても、画像形成装置１に備えられたものであっても、定着装置１２に備えられたものであっても、外部端子に接続されたものなどであってもよい。画像予測装置２９が表示部６４をもつことにより、オペレータが画像形成装置１を前にして作業するとき、予測した定着後の画像を容易に確認できる。画像予測装置２９が外部端子をもつことにより、オペレータが表示部６４を自由に選択し、接続することができる。
【００３３】
操作部６５は、定着温度、定着圧力、定着ニップ時間などの定着条件の入力を受ける機能をもち、定着温度を加熱制御部５０に設定し、定着圧力を加圧機構２４に設定し、定着ニップ時間を画像形成制御部１４に設定する。具体的には、定着後の画像のボケ具合を減らしたい場合に、オペレータが操作部６５で定着温度を低くするよう設定すると、操作部６５から指令を受けた加熱制御部５０がヒータ２１の温度を低くすることにより定着温度が下がり、定着後の画像のボケが減る。
【００３４】
画像予測装置２９における画像予測方法を、図９のブロック図を用いて説明する。まず、画像予測装置２９は、熱伝導計算部６１において、記録部材温度センサ２５から記録部材１６の温度を入力し（ステップＳ１）、定着部材温度センサ２６から定着部材２０の温度を入力し（ステップＳ２）、加圧部材温度センサ２７から加圧部材２２の温度を入力し（ステップＳ３）、定数記憶部６０から熱伝導計算に必要な定数を読み込み（ステップＳ４）、記録部材１６の温度と定着部材２０の温度と加圧部材２２の温度と読み込んだ定数に基づいて界面到達温度を算出する（ステップＳ５）。次に、画像予測装置２９は、予測演算部６３において、定着制御部５２から定着圧力を入力し（ステップＳ６）、界面到達温度と定着圧力に応じたPSFを予測パターン記憶部から読み出し（ステップＳ７）、定着後の画像を予測して予測画像を形成する（ステップＳ８）。次に、画像予測装置２９は、表示部６４において、予測画像を表示する（ステップＳ９）。次に、画像予測装置２９は、操作部６５において、定着条件を変更する入力があるか判断し（ステップＳ１０）、定着条件を変更する入力があれば定着制御部２８に定着条件を変更させ（ステップＳ１１）、定着条件を変更する入力がなければ処理を終了する。
【００３５】
第１の実施形態の画像形成装置１によれば、オペレータは表示部６４に表示された予測画像を確認しながら、操作部６５で、定着条件の入力を行うことにより定着後の画像を予測することができ、満足しない画像を印字して、印字した記録部材、人件費、電気代、トナー代などを無駄にすることを未然に防止できるとともに、環境負荷を減らすことができる。特に、トナー１６が記録部材１５に定着する際の状態、例えばにじみなどは、ニップにおけるトナー１６と記録部材１５との界面近傍の温度に、強く影響されることから、トナー紙界面温度を予測する第１の実施形態の画像形成装置１によれば、定着後の画像を正確に予測することができる。
【００３６】
なお、画像予測装置２９は、画像形成装置１や定着装置１２に一体に組み込まれたものであってもよく、画像形成装置１や定着装置１２に着脱可能に形成されたものであってもよく、画像形成装置１の外部に存在して画像形成装置１とデータを送受信するものなどであってもよい。画像予測装置２９を画像形成装置１の内部に設けることにより、全体として必要とされるスペースを小さくでき、環境負荷を低減できる。画像予測装置２９を画像形成装置１の外部に設けることにより、画像形成装置１を小型化でき、また、画像形成装置１を遠隔操作する際に便利にできる。
【００３７】
第２の実施形態の画像形成装置は、第１の実施形態の画像予測装置２９と異なる画像予測装置７０を備える。画像予測装置７０は、図１０のブロック図に示すように、第１の実施形態の画像予測装置２９がもつ定数記憶部６０と熱伝導計算部６１と予測パターン記憶部６２と予測演算部６３とをもち、さらに、操作部７１と基準記憶部７２と比較部７３とをもつ。
【００３８】
操作部７１は、画像の広がり、すなわちボケがどのぐらいまで許容できるかの基準を入力する。具体的には基準は、入力画像の線幅に対して、トナーがつぶれて太くなった定着後の線幅の割合などにより指定される。基準記憶部７２は、操作部７１から入力された基準を記憶する。比較部７３は、予測演算部６３で形成された予測画像と、基準記憶部７２に記憶された基準とを比較し、予測画像のボケが指定された基準よりも大きい場合には、ボケを減らすように定着制御部２８に指令を出し、予測画像のボケが指定された基準に収まっている場合には、そのままの定着条件で定着を行わせる。例えば、比較部７３は、予測画像の線幅が基準より太く、ボケが大きい場合、加熱制御部５０にヒータ２１の温度を低くさせ、定着温度を下げることにより定着後の画像のボケを減らす。
【００３９】
第２の実施形態の画像形成装置２によれば、予測された定着後の画像をオペレータが毎回確認しなくても自動的に、満足しない画像を印字して、印字した用紙、人件費、電気代、トナー代などを無駄にすることを未然に防止できるとともに、環境負荷を減らすことができる。なお、本発明は、コンピュータを用いた画像予測シミュレーションにも応用できる。
【図面の簡単な説明】
【００４０】
【図１】画像形成装置の構成図である。
【図２】定着装置の構成図である。
【図３】第１の実施形態の定着制御部及び画像予測装置を説明するブロック図である。
【図４】定数記憶部に記憶されている内容を例示する図である。
【図５】ニップ付近を拡大した概念図である。
【図６】ニップにおける各部材の初期温度の割当と値の例とを示す図である。
【図７】界面温度と時間の関係を示す図である。
【図８】定着前後のトナー粒子の形状変化を示す図である。
【図９】画像予測方法のフロー図である。
【図１０】第２の実施形態の定着制御部及び画像予測制御部を説明するブロック図である。
【符号の説明】
【００４１】
１；画像形成装置、１０；給紙部、１１；転写部、１２；定着装置、１３；排紙部、
１４；画像形成制御部、１５；記録部材、１６；トナー、２０；定着部材、
２１；ヒータ、２２；加圧部材、２３；搬送モータ、２４；加圧機構、
２５；記録部材温度センサ、２６；定着部材温度センサ、２７；加圧部材温度センサ、
２８；定着制御部、２９；画像予測装置、３０；定着部材芯金、３１；定着部材表層、
３２；加圧部材芯金、３３；加圧部材表層、４０；ステッピングモータ、
４１；シリンダ、４１；ばね、４３；加圧てこ、４４；支点、５０；加熱制御部、
５１；速度制御部、５２；加圧制御部、６０；定数記憶部、６１；熱伝導計算部、
６２；予測パターン記憶部、６３；予測演算部、６４；表示部、６５；操作部、
７０；画像予測装置、７１；操作部、７２；基準記憶部、７３；比較部。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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